仿尺蠖攀爬机器人能量最优轨迹规划研究

摘要

攀爬机器人可以代替人类从事各种高危、高强度的高空作业，而为了完成高空作业的目标，需要攀爬机器人有较强的续航能力。基于这种背景，结合攀爬机器人研究领域的研究成果，设计了一款高空作业机器人——仿尺蠖攀爬机器人。为了降低仿尺蠖攀爬机器人的能耗、提升其续航能力，针对其两种攀爬步态进行了能量最优轨迹规划研究。本文的主要研究如下:
　　介绍了国内外不同的攀爬机器人，对比分析了各种攀爬机器人的结构和优缺点，为本文设计一款新型仿尺蠖攀爬机器人奠定了基础。论述了国内外关于机器人能量最优轨迹规划方面的研究成果，发现机器人匀速运动或运动轨迹曲率较大时最为节省能量，对后续能量最优轨迹规划提供了依据。
　　以仿生原理分析尺蠖的运动机理，抽象出机器人的结构简图，并以此为依据设计了仿尺蠖攀爬机器人的总体构型。运用模块化设计方法将仿尺蠖攀爬机器人分为三大模块:关节模块，夹持器模块以及连接模块，并分别进行了设计。最后在SolidWorks中完成了总体结构设计并建立了三维模型。
　　运用D-H理论，分析仿尺蠖攀爬机器人的正逆运动学，求解其雅可比矩阵。使用拉格朗日方法分析了仿尺蠖攀爬机器人的动力学，计算出了机器人三个关节的力矩模型。使用MATLAB机器人工具箱对计算结果展开仿真分析，验证了结构设计的合理性以及运动学和动力学分析的正确性。
　　针对攀爬机器人的基本步态和过渡步态，选取了两种攀爬步态运动轨迹上的关键点，使用抛物线过渡的线性插值方法规划了运动轨迹。使用IPSOIGSA联合算法，以插值时间为参数对规划好的轨迹进行能耗最小的优化。优化结果显示IPSOIGSA联合算法收敛速度快，优化后的轨迹平滑无突变，冲击和振动在预定范围内。
　　使用模糊自适应PID控制算法设计了仿尺蠖攀爬机器人三个关节的控制器，并在ADAMS中搭建机械模型，随后导出至MATLAB中建立控制模型。两种攀爬步态的联合仿真结果显示仿尺蠖攀爬机器人期望轨迹和仿真轨迹的误差较小，在接受范围内。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1课题研究的背景及意义

1．2仿尺蠖攀爬机器人研究现状

1．2．1仿尺蠖攀爬机器人国外发展现状

1．2．2仿尺蠖攀爬机器人国内发展现状

1．3机器人能量最优轨迹规划研究现状

1．4论文研究的内容

第2章仿尺蠖攀爬机器人运动机理与结构设计

2．1引言

2．2仿尺蠖攀爬机器人的仿生设计

2．3仿尺蠖攀爬机器人运动步态分析

2．3．1基本步态

2．3．2扭转步态

2．3．3过渡步态

2．4仿尺蠖攀爬机器人总体结构设计

2．4．1仿尺蠖攀爬机器人结构设计准则

2．4．2驱动方式及行走方式选择

2．4．3仿尺蠖攀爬机器人夹持器模块设计

2．4．4仿尺蠖攀爬机器人关节模块设计

2．4．5仿尺蠖攀爬机器人总体结构

2．5本章小结

第3章仿尺蠖攀爬机器人运动学和动力学建模及其仿真分析

3．1引言

3．2仿尺蠖攀爬机器人运动学分析

3．2．1仿尺蠖攀爬机器人正向运动学分析

3．2．2仿尺蠖攀爬机器人逆向运动学分析

3．3仿尺蠖攀爬机器人动力学分析

3．4仿尺蠖攀爬机器人运动仿真分析

3．5本章小结

第4章仿尺蠖攀爬机器人能量最优轨迹规划

4．1引言

4．2仿尺蠖攀爬机器人能量最优轨迹规划

4．2．1轨迹规划及其选择

4．2．2运动轨迹关键点选取

4．2．3关节轨迹的生成

4．2．4仿尺蠖攀爬机器人能量函数

4．3 IPSOIGSA联合算法

4．3．1 IPSO算法

4．3．2 IGSA算法

4．3．3 IPSOIGSA联合算法

4．4能量最优轨迹仿真及其分析

4．5本章小结

第5章仿尺蠖攀爬机器人联合仿真分析

5．1引言

5．2仿尺蠖攀爬机器人联合仿真流程

5．3仿尺蠖攀爬机器人ADAMS建模

5．4仿尺蠖攀爬机器人MATLAB建模

5．5仿真结果及分析

5．5本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢